ISSN 1517-7076 artigos e12952, 2021
Autor Responsável: Paulo Paiva Oliveira Leite Dyer
10.1590/S1517-707620210001.1252
Data de envio: 22/01/2019 Data de aceite: 10/10/2019
O emprego de resíduos de areia de fundição
(RAF) em concreto asfáltico: uma alternativa
para a sustentabilidade na pavimentação
The use of residues of foundry sand (RFS) in
asphalt concrete: an alternative for
sustainability in paving
Paulo Paiva Oliveira Leite Dyer 1, Luis Miguel Gutierrez Klinsky 2, Silvelene Alessandra Silva3 , Maryangela Geimba de Lima 4
1
Laboratório de Infraestrutura Aeroportuária – EIA/ITA, CEP: 12228-900, São José dos Campos, SP, Brasil. 2 Laboratório de pesquisas rodoviárias – CPR/CCR Nova Dutra – CEP:12364-61223, Santa Izabel, SP, Brasil. 3 Laboratório de Fotônica – EFO/IEAv, CEP: 12228-001, São José dos Campos, SP, Brasil.
4
Laboratório de Infraestrutura Aeroportuária – EIA/ITA, CEP: 12228-900, São José dos Campos, SP, Brasil. e-mail: paulo_dyer@yahoo.com.br, luis.gutierrez@grupoccr.com.br, lenisoni@uol.com.br, magdlima@gmail.com
RESUMO
Neste artigo, resíduos de areias de fundição (RAFs) originários de: escavação em aterro sanitário industrial e diretamente de indústrias siderúrgicas automotivas foram testados como agregado em misturas asfálticas à quente. Estes RAFs, juntamente com o agregado miúdo convencional, foram caracterizados fisicamente ob-tendo no ensaio de: material pulverulento, teores inferiores a 13%; composição granulométrica, curvas de material passante em função da abertura das malhas equivalentes ao agregado miúdo (segundo a norma de agregados); densidade real, aparente e saturada muito próximas ao agregado mineral; micrografia óptica, imagens ampliadas (de 10 e 40 vezes obtidas em um Estereoscópio óptico) das frações representativas do maior e menor tamanhos de grãos, visualmente uniformes e semelhantes entre si. Em seguida, foram elabora-das formulações de misturas de agregados e RAFs contendo teores de substituição dos resíduos de: 0% (mis-tura Controle), 50 e 100% em relação ao pó de pedra e moldados corpos de prova cilíndricos pelo método giratório SUPERPAVE com cimento asfáltico do tipo CAP 30/45. Estes CPs foram testados no ensaio de tração por compressão diametral, obtendo valores de resistência a tração (RT) da ordem de: 2,0 MPa, para as misturas contendo 50% de RAF (das duas origens) e da ordem de 1,3 MPa nas misturas contendo 100% de RAF; e ensaio de módulo de resiliência obtendo valores médios da ordem de: 2500 a 6000 MPa. Concluiu-se que o RAF possui viabilidade técnica como agregado em pavimentos flexíveis.
Palavras-chave: resíduos, sustentabilidade, pavimentos.
ABSTRACT
In this paper, residues of foundry sand (RFS) originating from: excavation in industrial landfill and from au-tomotive steel industries were tested as aggregate in hot mix asphalt mixtures. These RFS together with the conventional aggregate were physically characterized at the assays: pulverulent material content by weight, obtaining less than 13%; sieve analysis determined the fine granulometry of these materials (according to the aggregate standard); real, apparent and saturated density very close to the mineral aggregate; and the applied images (10 and 40-fold) obtained in an optical stereoscope of the representative fractions of larger and small-er grain sizes, detsmall-ermined a visually uniform and similar between the matsmall-erials. Then, wsmall-ere made formula-tions of mixtures of aggregates and RFS, were substitution of the manufactured sand by the residues of 0% (Control mixture), 50 and 100% in weight and were molded cylindrical specimens (CS) by gyratory compac-tion method, with asphalt binder type CAP 30/45. These CS were tested in the splitting tensile strength assay obtaining values of tensile strength (TS) of the order of 2,0 MPa, for mixtures containing 50% of RFS and of
the order of 1,3 MPa in mixtures containing 100% RFS (of two origins); and test of resilience module obtain-ing average values of the order of: 2500 to 6000 MPa. It was concluded that the RFS has technical viability as an aggregate in flexible pavements.
Keywords: waste, sustainability, pavements.
1. INTRODUÇÃO
O modelo de desenvolvimento sustentável surgiu como uma medida para evitar futura escassez de recursos e desiquilíbrios climáticos devido ao desenvolvimento sem controle. Este conceito evoluiu a partir de confe-rências mundiais, acordos e termos de responsabilidade e atualmente possui diversas ramificações, sendo aplicado em vários setores industriais [1]. Uma destas vertentes refere-se à sustentabilidade na construção civil, uma vez que o ambiente urbano gera impactos de forma significativa ao meio ambiente e sociedade [2]. A sustentabilidade surgiu neste setor com o objetivo de reduzir desperdícios e a pegada ambiental, criando métodos inovadores e uma maior integração entre empreendimentos e meio ambiente [3]. Tal modelo vem crescendo atualmente, desta forma é cada vez maior a demanda por métodos construtivos mais econômicos e materiais de construção inovadores.
Neste cenário, a problemática dos resíduos também se torna crescente. Os resíduos industriais que são produzidos de forma periódica, em grandes volumes e que não são considerados perigosos como os de Clas-sificação II, tais como os Resíduos de Areias de Fundição - RAFs gerados pelas indústrias de fundição, re-presentam um problema de desperdício financeiro, uma vez que, requerem grandes espaços para armazena-gem [4], esgotando as capacidades dos aterros sanitários de uma forma mais rápida.
Devido a estes resíduos possuírem aspectos físicos químicos similares aos agregados utilizados na construção civil [5], cria-se uma oportunidade em utiliza-los para este fim. Desenvolvendo métodos constru-tivos mais econômicos, além de gerar benefícios aos setores industriais impactados [5 –7].
Entidades de pesquisa vêm a muito desenvolvendo sistemáticas para incorporar este resíduo na cons-trução civil, como a pavimentação asfáltica [5, 8], porém novos estudos ainda são necessários para enquadrar esta metodologia no mercado da construção civil e normas regulamentadoras [9].
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 A sustentabilidade na construção civil
A sustentabilidade na construção civil é um modelo de desenvolvimento que visa integrar conceitos de edu-cação socioambiental aos projetos de construção civil, seja na fase de construção, ocupação e pós-construção (reformas e demolição) utilizando de novas tecnologias que não prejudiquem características de designe e conforto, atendendo as exigências dos usuários de maneira eficiente, ou seja, evitando desperdícios e redu-zindo impactos ambientais [1]. Este modelo, uma das vertentes do conceito de sustentabilidade, se preocupa com a eficiência de um empreendimento e com o impacto ambiental que um ambiente urbano gera tanto para o meio ambiente, quanto para a sociedade.
De acordo com o CONSELHO BRASILEIRO DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL, criado em agosto de 2007 [10], o setor da construção necessita ser induzido a utilizar práticas mais sustentáveis, uma vez que, se trata do ramo que mais emprega no Brasil também é um dos maiores produtores de resíduos, nes-te connes-texto é imprescindível a demanda por empresas que tomem algumas medidas para invernes-ter os atuais papéis exercidos pela construção civil no contexto ambiental. Assim sendo, uma construção sustentável é aquela que utiliza materiais e tecnologias bio-compatíveis a fim de reduzir o impacto ambiental durante o processo de obtenção, fabricação, aplicação e em toda a sua vida útil. Porém o grande entrave para a consoli-dação desta “visão sustentável” no setor de construção civil é a dificuldade em relação aos custos considera-dos elevaconsidera-dos de determinaconsidera-dos elementos que permitem o enquadramento do empreendimento nesse conceito.
2.2 Resíduo de areias de fundição e contexto
Como na construção as indústrias siderúrgicas são segmentos de mercado de grande importância econômica no Brasil e no mundo [11], estes empreendimentos são responsáveis pela produção de peças metálicas utili-zadas em diversas cadeias industriais, tendo como maior destaque a automotiva. Segundo os relatórios men-sais de 2018, elaborados pela ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE INDÚSTRIAS DE FUNDIÇÃO (2018) [11], até o mês de setembro de 2018, foi produzido um total de 1,7 milhões de toneladas de peças fundidas no Brasil [11], concentrando esta produção nas regiões Sudeste e Sul do país.
O processo de fundição utilizando areias minerais finas como fôrmas para peças metálicas é composto pelas seguintes etapas básicas: primeiramente em uma caixa quadrada de contenção é posicionada uma peça protótipo previamente fabricada, constituída de cera, resina ou algum material volátil à temperatura de fusão do metal; em seguida os espaços vazios entre a peça protótipo e a caixa de contenção são preenchidos por uma areia mineral muito fina (grãos menores que 0,10 mm) saturada de aglutinantes como água, ácidos gra-xos, óleos minerais, entre outros; o conjunto areia e protótipo são vibro-compactados; o metal derretido a ser trabalhado é despejado sob a peça protótipo volatilizando-a; o conjunto todo esfria e o metal se torna rígido; e então o molde é quebrado e a peça metálica é obtida [11], como ilustrado na figura 1.
Figura 1: Processo simplificado de fundição.
Os processos de fundição se dividem quanto ao tipo de aglutinante utilizado, que podem ser materiais hidro-fóbicos ou hidrofílicos:
1. Areia verde: areias minerais moldadas no formato do molde da peça em estado úmido, ou seja, satura-das com água mantendo a coesão entre os grãos;
2. Alcalino fenólica: areias minerais moldadas no formato do molde da peça saturada por uma resina fe-nólica e depois curada a quente com catalisador [12];
3. Fenólico uretânica: areias moldadas saturadas com resinas fenólicas uretânicas e curadas a frio com catalisador [13];
4. Furânica: similar ao método alcalino fenólico, porém com resina Furânica [14,15];
5. Shell ou “Shell mouding”: é realizada a mistura entre uma resina termo fixa, areia mineral e catalisa-dor, a areia á colocada na caixa de contenção, o conjunto é vibrado juntamente com a peça protótipo, é formada uma casca na superfície do negativo, a areia não curada é removida e então a casca é re-movida [14, 15];
6. Silicato de sódio: é feita a mistura da areia mineral com silicato de sódio, o conjunto é vibro compac-tado no formato do negativo da peça e a mistura é gaseificada com gás carbono formando pontes químicas entre os grãos [16].
De modo geral, é desta forma que se dá tal processo, podendo variar quanto à qualidade exigida pelo ciente, como em peças ocas, as quais necessitam de “machos” internos constituintes de areias aglutinadas quimicamente por bentonita, porém a característica comum deste processo é sua simplicidade. De acordo com BONET (2002) [9], após sua utilização a areia pode ser recuperada, uma vez que, passe por um trata-mento mecânico por peneiratrata-mento, para remoção de partículas aglutinadas e um tratatrata-mento térmico para remoção de resinas e óleos, tal processo aumenta a vida útil da areia no sistema de fundição, porém ainda são produzidos cerca de 600,00 kg de RAF, de acordo com BINA (2002) [4], para cada tonelada de peça metálica
produzida. Uma quantidade que representaria mais de 1 milhão de toneladas para a produção brasileira de 9 meses no ano de 2018 [11]; sendo então um resíduo que desperta preocupação pelo volume produzido e a capacidade dos aterros sanitários em estar recebendo toda esta quantidade.
2.3 Classificação do Resíduo de Areia de Fundição
O RAF foi classificado a partir da decisão de Diretoria Nº 152/2007/C/E, de 08 de agosto de 2007 da COM-PANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO AMBIENTAL (2007) do Estado de São Paulo; classifi-cando-o como um resíduo sólido industrial de classe II-A ou II-B, sendo que para a classificação II-A este RAF se enquadra como não perigoso e não inerte e II-B se enquadra como inerte, o enquadramento adequado dependera das características químicas deste material que variam de acordo com sua origem, tais resultados podem ser obtidos em análises laboratoriais.
Resíduos não inertes são quaisquer resíduos que não tiverem nenhum de seus constituintes solubiliza-dos a concentrações superiores aos padrões de potabilidade de água, excetuando-se aspecto, cor, turbidez, dureza e sabor, conforme anexo G da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT) para a NORMA REGULADORA NBR:10004/2004 [18] e lixiviados a concentrações superiores ao anexo F desta mesma NBR (2004), não apresentando risco agudo a saúde humana. Porém, segundo BONIN (1995) [19], este tipo de resíduo não pode ser alocado em lugares inadequados, uma vez que com o despejo frequen-te, as concentrações de substâncias nocivas presentes no RAF aumentam ao longo do tempo atingindo níveis perigosos podendo contaminar solo e água no entorno deste despejo. Desta forma o aterramento do RAF é a medida mais adotada pela siderurgia, um procedimento que além de oneroso às indústrias e que diminui rapi-damente a vida útil dos aterros sanitários devidos aos elevados volumes produzidos [11], é um procedimento que traz menos prejuízos à saúde humana e meio ambiente; lembrando que, apenas indústrias de grande porte tomam estes cuidados [5], todavia as pequenas e médias indústrias, em sua maioria, praticam o despejo ilegal do resíduo em lixões, terrenos baldios, entre outros; produzindo uma externalidade socioambiental que pode-rá impactar gerações futuras e destruir fauna e flora locais [17,19].
2.4 Usos de RAF na construção civil
Portanto, devido aos malefícios financeiros e socioambientais que a produção deste subproduto gera e visto que, por representar um motivador à economia nacional, não podendo cessar tal aditividade industrial, são encontradas na literatura muitas formas de reutilização do RAF pela construção civil, uma vez que este mate-rial apresenta características físicas químicas semelhantes aos agregados finos amplamente utilizados em argamassas hidráulicas, argamassas betuminosas e composição solos. A tabela 1 apresenta um resumo dos usos na construção civil de RAF por diversos pesquisadores e entidades de pesquisa [8].
Desta forma, diversas universidades em todo o mundo desprendem esforços sistemáticos para o estudo da destinação do resíduo de areia pelas fundições para vários usos fora da atividade de fundição [8]. Para BONET (2002) [9] as aplicações fora das fundições incluem o emprego da areia usada proveniente de fundi-ções para: fonte de sílica na produção do clinker ou de lãs minerais; substituto parcial do agregado fino em concreto de baixo custo para aplicações não estruturais e artefatos de concreto; agregado fino para concreto asfáltico na pavimentação flexível; fonte de minerais para ajuste de solos na agricultura; e misturas de solos em subleitos e aterros. Quanto à aplicação na produção de clinker o processo é viável tecnicamente, porém as fontes geradoras e consumidoras deverão estar próximas devido ao custo de transporte, sendo que, nas de-mais aplicações BONET (1995) [9] considera que existem resultados tecnologicamente aceitáveis em todas elas, embora haja ainda muito trabalho de desenvolvimento a ser feito, inclusive no que diz respeito à avalia-ção do comportamento desses materiais em longo prazo, em particular, para que a areia de fundiavalia-ção venha a ser admitida como substituto parcial de agregado miúdo haverá necessidade de mais estudos sistemáticos, como a caracterização, segundo norma brasileira de agregados ABNT-NBR:7211/2005 [20], que poderão levar a adaptações nas normas vigentes em construção civil.
De acordo com SINGH et. al. (2012) [21], os concretos de cimento Portland contendo 15% de RAF, em relação aos agregados convencionais, obtiveram ganhos de resistência mecânica, em relação à concretos convencionais na ordem de 20%, porém em quantidades maiores, como 20%, foram observadas perdas de qualidade; mas, como o autor observou, tais concretos poderiam ser utilizados na produção de materiais de construção sem função estrutural, como calçadas para pedestres, tijolos para construção de canteiros, entre outros. Este resultado foi corroborado por MYNUDDIN et. al. (2018) e ANDRADE et al. (2018) [22, 5] que observaram poucas alterações do concreto contendo 10 a 30% de ADF, em relação à areia mineral, conside-rando a resistência à compressão.
aceitáveis para camadas de sub-base compostas de RAF tratada com 6% de ligante hidráulico (como cimento Portland), compondo um material de características semelhantes à um solo-cimento. KLINSKY (2013) [24] por sua vez, realizou um estudo deste resíduo incorporado em camadas de base composta por um latossolo tratado com 7% de cimento Portland, observando valores coerentes com materiais convencionais em ensaios mecânicos de índice de suporte Califórnia (CBR). Já para camada de revestimento, seu emprego foi estudado por COUTINHO (2004) [25] em misturas de concreto asfáltico, também conhecido como deep strength as-phalt pavement que são revestimentos espessos desdobrados em diversas subseções, obtendo resultados satis-fatórios em ensaios mecânicos (segundo as normas da engenharia rodoviária) e de durabilidade deste concre-to (ensaios de dano por umidade induzida); em seu trabalho foi adotado o limite de 15% de substituição de RAF, em relação ao pó de pedra.
Tabela 1: Aplicações do RAF na construção civil. Adaptado de TCDC (1999) [8].
APLICAÇÕES DE REUSO ADF
Uso na construção Are ia v er-de Alc ali n o fe n ó li ca F en ó li ca u re tân ica F u râ n ica S h ell M o l-d in g S il ica to d e S ó d io Asfalto X X * * * 0 Produção de blocos * * * * X * Produção de tijolos X X * * * S Cimento X X * 0 X X Concreto S X * * * *
Substituto de agregados finos X X * * * *
Concreto expandido X X * S S S
Produção de argamassa S S S S S *
Construção de base de estradas S X * S * X
Camadas artificiais de topo de solos X * * X * S
Cobertura de aterros X X * S S S
Modificador de solos * * * * * *
Fabricação de cimento S S S S S *
Legenda
X Aplicação de reuso aprovada, com projetos já implantados na Inglaterra. * Aplicação teórica, mas não existem projetos de reuso operando na Inglaterra. 0 Inadequado para reuso na forma não tratada.
S Sem referência de estudos ou aplicações
Assim é observado que os resíduos de areias de fundição apresentam grande potencial de reuso como agregado em construção civil, tal procedimento poderia gerar materiais de construção com custos inferiores aos encontrados no mercado, em especial na pavimentação asfáltica, uma vez que tais empreendimentos são grandes consumidores de agregados minerais gerando uma sustentabilidade maior à obra
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Materiais
Para determinar a viabilidade da utilização de RAF em CBUQ para pavimentação flexível, foram utilizados os seguintes materiais:
RAF originário de aterro: em um aterro sanitário industrial, o RAF se encontrava aterrado sobre uma camada de três metros de solo compactado, há mais de 30 anos. Este RAF era originário de uma in-dústria automotiva nos arredores da região de São José dos Campos – São Paulo, onde se localiza o mesmo aterro sanitário industrial, este material será identificado pela sigla: RAF-1;
RAF originário de indústria siderúrgica: neste mesmo aterro sanitário, onde foi escavado o RAF-1, fo-ram coletadas amostras de RAF originário de indústrias siderúrgicas da região onde se localiza o aterro, uma vez que o mesmo ainda recebe este tipo de resíduo. Aqui, este material será identificado pela sigla: RAF-2;
Agregados minerais: pó de pedra, brita-0 e brita-1, todos originários de uma pedreira de rocha graníti-ca lograníti-calizada na idade de Jambeiro, São Paulo;
Aditivo mineral ou filler: constituído de cal hidratada (Ca(OH)2), adquirido de represente comercial do Estado de São Paulo;
Ligante asfáltico do tipo CAP 30/45: adquirido da Revap; Água deionizada: obtida do processo de de-ionização da água.
3.2 Métodos
Inicialmente foi executada uma amostragem de resíduos sólidos para o RAF 1 e 2 de acordo com a norma brasileira de amostragem de resíduos sólidos ABNT-NBR:10007/200 [26], a qual determina que sejam reti-radas porções diametralmente opostas de uma pilha de resíduos até atingir a quantidade desejada, no caso 150 kg foram amostrados para cada RAF. O RAF que se encontrava aterrado foi retirado realizando uma es-cavação de três metros de profundidade em um local ao acaso no aterro sanitário, e então executada um pe-neiramento prévio obtendo uma pilha com diâmetro máximo dos grãos de 12,7 mm, ilustrado na figura 2.
Figura 2: Fotografias e procedimento de amostragem de RAF-1 onde (a) é a pilha formada após o peneiramento prévio e
(b) se trata do esquema para amostragem, fonte: NBR:10007/2004 [26].
No caso do RAF-2, foi escolhida uma caçamba de coleta do aterro sanitário (figura 3) e repetido o procedimento de amostragem, executando-se o peneiramento prévio, uma vez que estes RAF in natura possu-íam muitos detritos originários do processo de fundição como pedaços de metais, sílicas aglutinadas, machos de bentonita, entre outros.
Figura 3: Fotografias do procedimento de amostragem de RAF-2, onde em (a) o RAF se encontrava na caçamba e em (b)
Os demais agregados foram amostrados de acordo com a norma brasileira de amostragem de agrega-dos minerais ABNT NBR NM:26/2001 [27], recolhidos em quantidades análogas ao RAF nas instalações da pedreira. Para produzir amostras nas quantidades adequadas para cada ensaio realizado posteriormente, foi adotado o procedimento de redução de amostras por quarteamento mecânico, determinado pela norma brasi-leira ABNT-NBR-NM:27/2001. E assim com todas as amostras de cada material utilizado, foram realizados os ensaios apresentados na tabela 2. Já o fluxograma da figura 4, determina a ordem de cada ensaio.
Tabela 2: Ensaios realizados de acordo com a norma de método de ensaio e material utilizado.
MATERIAIS MÉTODO DE ENSAIO ENSAIO
RAFs NBR:10007/2004 [26] Amostragem
Agregados NBR-NM:26/2001 [27] Amostragem
Agregados e RAFs NBR-NM:27/2001 [28] Redução de amostras Agregados e RAFs NBR-NM:46/2003 [29] Material pulverulento Agregados e RAFs NBR:248/2003 [30] Granulometria Agregados e RAFs NBR-NM 45/2006 [31] Massa unitária
Agregados e RAFs NBR-NM:52/2009 e 53/2003 [32, 33] Densidade real, aparente e saturada Aditivo mineral NBR-NM:23/2001 [34] Densidade real do filler mineral Agregados e RAFs NBR-NM: 30/2001 e 53/2003 [35, 33] Absorção de água
CAP 30/45 NBR:14541/2014 [36] Viscosidade Brookfield CAP 30/45 DNIT-ME:155/2010 [37] Penetração de betume
Pó de pedra e RAFs Sem norma Microscopia óptica
Agregados, RAFs, CAP 30/45 e filler DNIT-ES:031/2006 [38] Doságem Marshall
Agregados, RAFs, CAP 30/45 e filler ASTM D 2041 M-11/2011 [39] Mistura giratória SUPERPAVE Misturas asfálticas AASHTO PP 60-14/2014 [40] Compactação giratória SUPERPAVE
CPs DNIT-ME:136/2017 [41] Resistencia à tração
CPs DNIT-ME:135/2010 [42] Módulo de resiliência
Durante os ensaios preliminares de caracterização [29–35], foram conhecidas as propriedades dos materias agregados e RAFs segundo os critérios da norma de agregados minerais [20]. O ligante asfáltico (CAP 30/45) também foi caracterizado, determinando suas propriedades de temperatura de mistura e compactação [36], bem como a compatibilidade técnica da especificação 30/45 do fabricante com suas propriedades físicas reais determinadas em ensaio [37].
Na etapa de obtenção de ampliações em alta definição com um estereoscópio óptico, RAF e pó de pedra foram visualizados nas faixas granulométricas representativas de maior e menor diâmetro dos grãos (definidos no ensaio de granulometria) em aumentos específicos, como definido na tabela 3.
Figura 4: Fluxograma da execução de ensaios de caracterização, microscopia e ensaios mecânicos de concreto asfáltico.
Tabela 3: Ensaios realizados de acordo com a norma de método de ensaio e material utilizado.
MATERIAIS ANALISADOS DIÂMETRO MAXIMO DOS GRÃOS UNIDADE AUMENTO
Pó de pedra, RAF 1 e 2
6,35 mm 10 e 40 vezes
0,159 mm 10 e 40 vezes
As misturas de CBUQ foram preparadas utilizando a composição granulométrica das misturas de agregados e RAFs determinada pela especificação técnica do Departamento de Estradas e Rodagem (DER) ET-DE-P00:027/2005 [43]. Os materiais utilizados: agregados minerais, filler, RAF-1 e RAF-2 foram ajusta-dos nas proporções em peso de modo a atender os critérios da Faixa III e as taxas de substituições em peso em relação ao pó de pedra pelo RAF 1 ou 2, de acordo com a tabela 4, que também contempla a terminologia de cada mistura. Ja a dosagem de CAP 30/45 para cada mistura, foi determinada pelo método Marshall [38], fixando o volume de vazios de cada mistura em 4%.
Tabela 4: Ensaios realizados de acordo com a norma de método de ensaio e material utilizado.
TERMINOLOGIA DAS MISTURAS
SUBSTITUIÇÃO EM PESO RAF-1 RAF-2 50-M-1 50% 0% 100-M-1 100% 0% 50-M-2 0% 50% 100-M-2 0% 100% Controle 0% 0%
Uma vez definidos os teores de CAP para cada mistura, estas foram preparadas novamente com o teor de projeto, utilizando o método da mistura giratória SUPERPAVE [39] por meio de uma uzina de asfalto em escala reduzida. Em seguida, os CPs foram compactados pelo método giratório SUPERPAVE; equipamentos ilustrados na figura 5. Uma vez obtidos todos CPs (3 exemplares para cada mistura e ensaio), estes foram testados em ensaios de tração por compressão diametral e módulo de resiliência de acordo com os
procedi-mentos específicos [41,42].
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Caracterização dos agregados minerais, RAFs, filler e ligante asfáltico
As frações em peso de material passante na peneira de abertura de 0,075 mm para os materiais: brita 1, brita 0, pó de pedra, RAF 1 e 2 foram obtidas. Os resultados são apresentados no gráfico de barras da figura 5. Estes resultados mostram que os resíduos estão dentro do critério estabelecido pela norma brasileira de agre-gados [20], permanecendo com taxas abaixo dos 11% determinados pela norma como teor limite.
Figura 5: Gráfico de barras dos resultados em do material pulverulento presente em massa.
O gráfico da figura 6 mostra que a composição granulométrica do RAF é similar ao pó de pedra com suas composições dentro dos limites estabelecidos pela norma brasileira [20] para agregados miúdos. Já os demais materiais analisados, brita 0 e 1, permaneceram dentro dos limites de classificação comercial defini-dos pela norma brasileira ABNT-NBR:7225/1993 [44].
Figura 6: Gráfico da composição granulométrica dos agregados e RAF.
Estes resultados permitiram a formulação das misturas de agregados, filler e RAFs segundo os crité-rios granulométricos da Faixa III [43], o grafico da figura 7 apresenta a composição granulométrica de todas as misturas utilizadas, delimitadas pelos critérios da Faixa III.
Figura 7: Gráfico da composição granulométrica das misturas de agregados e RAF nos limites da Faixa III [43].
Os resultados preliminares de caracterização mostraram grande semelhança física entre os resíduos de areia de fundição (tanto do aterro quanto diretamente da indústrias) e o agregado mineral convencional, além de estarem dentro dos critérios da norma de agregados [20]. A tabela 5 apresenta os resultados dos demais ensaios de caracterização realizados. Ja a figura 8 apresenta os resultados da caracterização do ligante, mos-trando que o mesmo permanece dentro da estabilidade 30/45 prevista pelo fabricante.
Tabela 5: Resultados dos demais ensaio de caracterização em agregados, RAFs e filler.
PROPRIEDADE
AGREGADO / RESÍDUO / FILLER
RAF-1 RAF-2 PÓ DE PEDRA BRITA-0 BRITA-1 FILLER
Massa unitária (kg/m³) 1398 1312 1652 1720 1910 - Densidade real (g/cm³) 2,72 2,64 2,86 2,65 2,72 2,00 Densidade aparente (g/cm³) 1,87 2,07 2,33 - - -
Densidade SSS (g/cm³) 2,01 2,17 2,37 - - -
Absorção de água (%) 1,61 2,52 0,64 0,56 0,54 -
4.2 Microscopia óptica
Imagens ampliadas nos aumentos de 10 e 40 vezes foram feitas utilizando estereoscópio. Estas ampliações, apresentadas na figura 9 para o aumento de 10 vezes e figura 10 para o aumento de 40 vezes revelam a uni-formidade entre as partículas do RAF e semelhança morfológica às partículas do pó de pedra.
Figura 9: Imagens ampliadas de 10 vezes do pó de pedra e RAF.
Figura 10: Imagens ampliadas de 40 vezes do pó de pedra e RAFs em um estereoscópio óptico.
4.3 Ensaios em concreto asfáltico
De posse dos resultados de caracterização, foram projetadas as misturas asfálticas para a realização da dosa-gem Marshall [38]. Esta etapa deste presente artigo foi realizada integralmente de forma manual, onde foi fixado o valor de 4% de volume da vazios (Vv) para determinar o teor ótimo de asfalto de cada mistura. Des-ta forma, como pode ser observado nos gráficos da figura 11, a mistura 50-RAF-1 obteve um teor muito pró-ximo ao Controle (4,8%), ja as misturas 100-ADF-1 e 50-ADF-2 necessitaram de quantidades maiores de CAP 30/45 para atingir um Vv de 4% e a mistura 100-ADF-2 não atingiu um Vv de 4% durante a dosagem, opatando-se em fixa-lo em 7%. Nestes gráficos são apresentados os valores obtidos da variação de densidade Rice [39], densidade aparente da mistura de agregados (Gmb), resistência à tração [41], Vv, vazios cheios de
betume (VCB) [39] e vazios do agregado mineral (VAM) em função do teor de ligante durante o Marshall para todas as misturas.
Figura 11: Graficos das principais propriedades físicas das misturas de agregados e CBUQs durante a dosagem Marshall.
As misturas asfálticas, de acordo com suas composições e terminologias descritas pela tabela 4 foram preparadas [38] e compactadas [39] pelo método giratório SUPERPAVE, produzindo 3 CPs para cada mistu-ra e cada ensaio. A tabela 6 apresenta as propriedades físicas das mistumistu-ras com teor de projeto e as figumistu-ras 12 e 13 ilustram estes procedimentos.
Tabela 6: Principais propriedades físicas das misturas com teor ótimo de asfalto e as dimensões dos CPs.
PROPRIEDADE CONCRETO ASFÁLTICO
50-RAF-1 100-RAF-1 50-RAF-2 100-RAF-2 CONTROLE
Teor ótimo de asfalto (%) 4,8 5,9 6,2 7 4,7
Teor ótimo de asfalto efetivo após 2h (%) 4,6 5,9 5,9 7 4,4
Absoção de asfalto pelo agregado (%) 0,2 0 0,3 0 0,3
Razão betume vazios RBV (%) 71,9 75,9 77,3 63,7 72,1
Vv (%) 4,2 4,3 4 8,6 4 VCB (%) 11,7 14,1 14,9 16,5 11,4 VAM (%) 15 18 17,5 23,8 14,2 Densidade aparente SSS (g/cm³) 2,62 2,63 2,63 2,64 2,62 Densidade efetiva (g/cm³) 2,64 2,62 2,65 2,64 2,64 Densidade Rice (g/cm³) 2,34 2,29 2,31 2,16 2,36
Densidade máxima teórica (g/cm³) 2,45 2,39 2,41 2,71 2,46 Altura média dos CPs (mm) 66,69 67,93 67,18 71,23 65,8
Figura 12: Fotografias do preparo das massas asfálticas de projeto, onde em (a) a usina asfáltica em tamanho reduzido está em destaque, em (b) a abertura do equipamento é acionada, em (c) a mistura de agrgados é inserida no tambor do equipamento, em (d) a mistura asfáltica pronta é despejada na bandeja (e).
Figura 13: Fotografias da compactação giratória dos CPs, onde em (a) o equipamento é acionado, em (b) a mistura
asfál-tica é inserida e em (c) os CPs obtidos.
Os CPs produzidos foram testados a temperatura ambiente de 20°C e obtidos os módulos de resistência a tração por compressão diametral, em MPa de acordo com os equipamentos e procedimentos determinados pela norma [41]. Da mesma forma, outros CPs com as mesmas formulações foram testados no ensaio de mó-dulo de resiliência à 20°C, de acordo com os equipamentos e métodos determinados pela norma [42]; neste caso o módulo de Poisson adotado foi de α = 0,3. Os resultados mostraram pequenas variações de resistência entre massas asfálticas contendo resíduos e a mistura de controle com módulos de resistencia acima do mí-nimo recomendado pela norma de engenharia rodoviária, determinada pela Especificação de Serviço do De-partamento Nacional de Infraestrutura de Transporte, a DNIT-ES:031/2006 [38]. As figuras 14 e 15 apresen-tam os gráficos de barras dos resultados obtidos nestes ensaios.
Figura 14: Gráfico de barras da resistência a tração por compressão diametral em MPa.
Os resultados aqui obtidos, mostram potencial viabilidade técnica do emprego de RAF como agregado em concretos asfálticos. No que diz respeito às características dos resíduos, estes se mostraram muito pareci-dos com o agregado mineral convencional, já os ensaios específicos de concreto asfáltico, apresentaram re-sultados muito condizentes com a especificação de Engenharia Rodoviária.
Na literatura atual e dos últimos 20 anos de pesquisa do emprego de RAF na construção civil, são ob-servados resultados obtidos que corroboram as afirmações feitas neste presente artigo. O gráfico da figura 16 e a tabela 7 mostram estas comparações acerca da caracterização do RAF por diferentes autores, sendo o re-síduo originário de escavações em aterros sanitários (identificado como RAF-1) ou diretamente das indústrias (identificado como RAF-2).
Figura 15: Gráfico de barras do módulo de resiliência em MPa e razão módulo de resiliência e resistência à tração
(MR/RT).
Tabela 7: Principais características físicas do RAF obtidas por diferentes autores.
PROPRIEDADE
OBTIDO ORGIGEM DO RAF : AUTOR
RAF-1 RAF-2 RAF-2 : [5] RAF-2 : [9] RAF-2 : [19] RAF-2 : [21] RAF-1 : [22]
Mat. Pulverulento (%) 6,35 3,22 8,7 6,1 13,6 8 -
Massa unitária (kg/m³) 1398 1312 - - 1115 - 2583
Densidade real (g/cm³) 2,72 2,64 2,56 2,65 2,13 2,18 2,47
Figura 16: Composição granulométrica obtida por diferentes autores do RAF 1 e 2.
Desta pesquisa na literatura, foram encontrados estudos com o emprego do RAF em CBUQ, produ-zindo a tabela 8 que apresenta os resultados destes ensaios específicos. Estes números são muito próximos aos enconrados neste presente artigo tanto referente às principais características das misturas asfálticas quan-to às propriedades mecânicas destas.
Tabela 8: Principais características das misturas, segundo diferentes autores.
PROPRIEDADE
CONCRETO ASFÁLTICO
OBTIDO M1 M2
50-RAF-1 100-RAF-1 RAF-2 [44] 100-RAF-2 RAF-2 [25] RAF-1 [44]
Teor ótimo de asfalto (%) 4,8 5,9 6,2 7 6 5,35
RBV (%) 71,9 75,9 77,3 63,7 78 77
Vv (%) 4,2 4,3 4 8,6 4 4
VAM (%) 15 18 17,5 23,8 18,59 18,4
Densidade aparente (g/cm³) 2,62 2,63 2,63 2,64 2,48 2,7
Tração (MPa) 2,21 1,62 2,08 1,53 1,34 1,07
Modulo de resiliência (MPa) 6040 4228 4209 2774 6700 5700
MR/RT 2731 2602 2027 1809 5000 5327
M1: CBUQ com CAP 20, Faixa III com substituição de 15% do pó de pedra por RAF-2
M2: CBUQ com CAP 50/60, Faixa III com substituição de 60% do pó de pedra por RAF-1
5. CONCLUSÕES
Destes resultados empiricamente obtidos, as seguintes conclusões foram tomadas:
Caracterização: o teor de material pulverulento, composição granulométrica e as demais característi-cas físicaracterísti-cas dos resíduos de areia de fundição se mostraram muito semelhantes ao pó de pedra, agre-gado amplamente utilizado na pavimentação asfáltica flexível e em acordo com os critérios da nor-ma brasileira para agregados minerais [20];
Microscopia: as imagens ampliadas revelaram uniformidade entre os grãos dos resíduos e semelhantes ao pó de pedra em relação a morfologia;
Concreto asfáltico: no caso do ensaio de resistência à tração por compressão diametral, os CPs con-tendo RAF obtiveram perdas muito pequenas em relação à mistura controle e com módulos de resis-tência acima dos critérios estabelecidos pela especificação do Departamento Nacional de Infraestru-tura de Transportes [38]. Para o ensaio de módulo de resiliência, esta diferença entre resultados se mostrou analoga, principalmente para a mistura 50-RAF-1 que foi a que apresentou o melhor de-sempenho em ensaios mecânciso.
Comaparações: em relação aos resultados da literatura pesquisada, as características do RAF e das misturas mostraram resultados muito próximos entre si. Entretanto nos ensaios mecânicos notaram-se pequenas diferenças.
Assim sendo, fica determinado que a utilização de RAF, sendo de aterros sanitários ou diretamente de indús-trias de fundição, apresenta viabilidade técnica em obras de pavimentação flexível, outrora grandes consumi-doras de agregados minerais, suscitando a sustentabilidade neste setor da construção civil; visto que também, os descartes adequado ou inadequado do resíduo demandam enormes custos financeiros e socioambientais. Portanto o reuso de RAF como agregado gera benefícios como a redução do custo de construção de rodovias, redução da utilização de recursos minerais esgotáveis, redução dos gastos por parte de indústrias siderúrgicas para aterrar seus principais resíduos, redução de impactos socioambientais quando este resíduo é descartado de forma ilegal, aumento da geração de recursos financeiros por parte das empresas administradoras de ater-ros sanitários que podem requerer seus espaços para aterramento de resíduos “mais valiosos” como resíduos perigosos Classe I, aumento da vida útil dos aterros sanitários já operantes e a redução da demando por novos espaços licitados para atuarem como aterros sanitários industriais.
6. AGRADECIMENTOS
Os agredecimentos da realização e apoio a presente pesquisa vão para agência CAPES, pelo financiamento, àos laboratórios do Instituto de Estudos Avançado IEAv e do Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA (São José dos Campos/São Paulo), pelo auxílio nos ensaios de caracterização de agregados e RAF e ensaios de microscopia óptica, ao Centro de Pesquisas Rodoviárias da Concessionária CCR Nova Dutra, pela realização de todos os ensaios específicos de concreto asfáltico e à empresa Essencis Ecossistema LTDA. pelo forneci-mento de todos RAF utilizado nesta pesquisa.
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ORCID
Paulo Paiva Oliveira Leite Dyer https://orcid.org/0000-0001-7110-6871 Luis Miguel Gutierrez Klinsky https://orcid.org/0000-0002-2052-9951 Silvelene Alessandra Silva https://orcid.org/0000-0003-1601-5373 Maryangela Geimba de Lima https://orcid.org/0000-0002-0046-3991
